數(shù)學古稱算學,是中國古代科學中一門重要的學科,根據(jù)中國古代數(shù)學發(fā)展的特點,可以分為五個時期:萌芽;體系的形成;發(fā)展;繁榮和中西方數(shù)學的融合。
萌芽
原始公社末期,私有制和貨物交換產(chǎn)生以后,數(shù)與形的概念有了進一步的發(fā)展,仰韶文化時期出土的陶器,上面已刻有表示一二三四的符號。到原始公社末期,已開始用文字符號取代結(jié)繩記事了。
商代中期,在甲骨文中已產(chǎn)生一套十進制數(shù)字和記數(shù)法,其中最大的數(shù)字為三萬;與此同時,殷人用十個天干和十二個地支組成甲子、乙丑、丙寅、丁卯等60個名稱來記60天的日期;在周代,又把以前用陰、陽符號構(gòu)成的八卦發(fā)展為六十四卦,表示64種事物。
公元前一世紀的《周髀算經(jīng)》提到西周初期用矩測量高、深、廣、遠的方法,并舉出勾股形的勾三、股四、弦五以及環(huán)矩可以為圓等例子。《禮記·內(nèi)則》篇提到西周貴族子弟從九歲開始便要學習數(shù)目和記數(shù)方法,,作為“六藝”之一的數(shù)已經(jīng)開始成為專門的課程。
春秋戰(zhàn)國之際,籌算已得到普遍的應(yīng)用,籌算記數(shù)法已使用十進位計數(shù)法,這種記數(shù)法對世界數(shù)學的發(fā)展是有劃時代意義的。
戰(zhàn)國時期的百家爭鳴也促進了數(shù)學的發(fā)展,尤其是對于證明和一些命題的爭論直接與數(shù)學有關(guān)。名家認為經(jīng)過抽象以后的名詞概念與它們原來的實體不同,他們提出“矩不方,規(guī)不可以為圓”,把“大一”(無窮大)定義為“至大無外”,“小一”(無窮小)定義為“至小無內(nèi)”(有點像今天的微積分中無窮大與無窮小)。還提出了“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”等命題。
而墨家則認為名來源于物,名可以從不同方面和不同深度反映物。墨家給出一些數(shù)學定義,例如圓、方、平、直、次(相切)、端(點)等等(相當于簡單的幾何)。
墨家不同意“一尺之棰”的命題,提出一個“非半”的命題來進行反駁:將一線段按一半一半地無限分割下去,就必將出現(xiàn)一個不能再分割的“非半”,這個“非半”就是點。
名家的命題論述了有限長度可分割成一個無窮序列,墨家的命題則指出了這種無限分割的變化和結(jié)果。名家和墨家對數(shù)學定義和數(shù)學命題的討論,對中國古代數(shù)學理論的發(fā)展是很有意義的。
體系的形成
秦漢是封建社會的上升時期,經(jīng)濟和文化均得到迅速發(fā)展。中國古代數(shù)學體系正是形成于這個時期,它的主要標志是算術(shù)已成為一個專門的學科,以及以《九章算術(shù)》為代表的數(shù)學著作的出現(xiàn)。
《九章算術(shù)》是戰(zhàn)國、秦、漢封建社會創(chuàng)立并鞏固時期數(shù)學發(fā)展的總結(jié),就其數(shù)學成就來說,堪稱是世界數(shù)學名著。例如分數(shù)四則運算、今有術(shù)(西方稱三率法)、開平方與開立方(包括二次方程數(shù)值解法)、盈不足術(shù)(西方稱雙設(shè)法)、各種面積和體積公式、線性方程組解法、正負數(shù)運算的加減法則、勾股形解法(特別是勾股定理和求勾股數(shù)的方法)等,水平都是很高的。就其特點來說,它形成了一個以籌算為中心、與古希臘數(shù)學完全不同的獨立體系。
《九章算術(shù)》有幾個顯著的特點:采用按類分章的數(shù)學問題集的形式;算式都是從籌算記數(shù)法發(fā)展起來的;以算術(shù)、代數(shù)為主,很少涉及圖形性質(zhì);重視應(yīng)用,缺乏理論闡述等;排除了戰(zhàn)國時期在百家爭鳴中出現(xiàn)的名家和墨家重視名詞定義與邏輯的討論,偏重于與當時生產(chǎn)、生活密切相結(jié)合的數(shù)學問題及其解法,這與當時社會的發(fā)展情況是完全一致的。
《九章算術(shù)》在隋唐時期曾傳到朝鮮、日本,并成為這些國家當時的數(shù)學教科書。它的一些成就如十進位值制、今有術(shù)、盈不足術(shù)等還傳到印度和阿拉伯,并通過印度以及阿拉伯傳到歐洲,促進了世界數(shù)學的全新發(fā)展。
發(fā)展
魏晉時期出現(xiàn)的玄學,不為漢儒經(jīng)學束縛,思想比較活躍;它詰辯求勝,又能運用邏輯思維,分析義理,這些都有利于數(shù)學從理論上加以提高。吳國趙爽注《周髀算經(jīng)》,漢末魏初徐岳撰《數(shù)術(shù)記遺》,魏末晉初劉徽撰《九章算術(shù)》注、《九章重差圖》都是出現(xiàn)在這個時期。趙爽與劉徽的工作為中國古代數(shù)學體系奠定了理論基礎(chǔ)。
趙爽是中國古代對數(shù)學定理和公式進行證明與推導的最早的數(shù)學家之一。他在《周髀算經(jīng)》書中補充的“勾股圓方圖及注”和“日高圖及注”是十分重要的數(shù)學文獻。在“勾股圓方圖及注”中他提出用弦圖證明勾股定理和解勾股形的五個公式;在“日高圖及注”中,他用圖形面積證明漢代普遍應(yīng)用的重差公式,趙爽的工作是帶有開創(chuàng)性的,在中國古代數(shù)學發(fā)展中占有重要地位。
劉徽與趙爽同時,他繼承和發(fā)展了戰(zhàn)國時期名家和墨家的思想,主張對一些數(shù)學名詞特別是重要的數(shù)學概念給以嚴格的定義,認為對數(shù)學知識必須進行“析理”,才能使數(shù)學著作簡明嚴密,利于讀者。他的《九章算術(shù)》注不僅是對《九章算術(shù)》的方法、公式和定理進行一般的解釋和推導,而且在論述的過程中有很大的發(fā)展。劉徽創(chuàng)造割圓術(shù),利用極限的思想證明圓的面積公式,并首次用理論的方法算得圓周率為157/50和3927/1250。
劉徽用無窮分割的方法證明了直角方錐與直角四面體的體積比恒為2:1,解決了一般立體體積的關(guān)鍵問題。在證明方錐、圓柱、圓錐、圓臺的體積時,劉徽為徹底解決球的體積提出了正確途徑。
東晉以后,中國長期處于戰(zhàn)爭和南北分裂的狀態(tài)。祖沖之父子的工作就是在經(jīng)濟文化南移以后,南方數(shù)學所發(fā)展的,具有代表性的工作。他們在劉徽注《九章算術(shù)》的基礎(chǔ)上,把傳統(tǒng)數(shù)學大大向前推進了一步。
據(jù)推測,祖沖之在劉徽割圓術(shù)的基礎(chǔ)上,算出圓內(nèi)接正6144邊形和正12288邊形的面積,從而得到了這個結(jié)果。他又用新的方法得到圓周率兩個分數(shù)值,即約率22/7和密率355/113。祖沖之這一工作,使中國在圓周率計算方面,比西方領(lǐng)先約一千年之久;
祖沖之之子祖暅從劉徽的工作總結(jié)出祖暅原理:“冪勢既同則積不容異”,即等高的兩立體,若其任意高處的水平截面積相等,則這兩立體體積相等,藉此他導出了劉徽尚未解決的球體積公式。
隋煬帝好大喜功,大興土木,客觀上促進了數(shù)學的發(fā)展。唐初王孝通的《緝古算經(jīng)》,主要討論土木工程中計算土方、工程分工、驗收以及倉庫和地窖的計算問題,反映了這個時期數(shù)學的情況。王孝通在不用數(shù)學符號的情況下,立出數(shù)字三次方程,不僅解決了當時社會的需要,也為后來天元術(shù)的建立打下基礎(chǔ)。此外,對傳統(tǒng)的勾股形解法,王孝通也是用數(shù)字三次方程解決的。
唐初封建統(tǒng)治者繼承隋制,656年在國子監(jiān)設(shè)立算學館,設(shè)有算學博士和助教,學生30人。由太史令李淳風等編纂注釋“算經(jīng)十書”,作為算學館學生用的課本,明算科考試亦以這些算書為準。李淳風等編纂的《算經(jīng)十書》,對保存數(shù)學經(jīng)典著作、為數(shù)學研究提供文獻資料方面是很有意義的。他們給《周髀算經(jīng)》、《九章算術(shù)》以及《海島算經(jīng)》所作的注解,對讀者是有幫助的。隋唐時期,由于歷法的需要,天算學家創(chuàng)立了二次函數(shù)的內(nèi)插法,豐富了中國古代數(shù)學的內(nèi)容。